Perspectivas de la generación de electricidad en Cuba a partir de la

Perspectivas de la generación de electricidad en Cuba a partir de la

energética Vol. XXVIII, No. 3/2007
TRABAJOS TEORICOEXPERIMENTALES
Perspectivas de la generación
de electricidad en Cuba a partir
de la gasificación de biomasa
Daniel Travieso
Ramón Cala
Recibido: Octubre del 2007
Aprobado: Diciembre del 2007
Resumen / Abstract
Los efectos de la explotación descontrolada de los recursos naturales, han colocado a la humanidad al
borde de la extinción. La concientización de esta situación por la comunidad internacional, se ha materializado
en un gran número de países, incluida Cuba. Entre las medidas implementadas en el pais, está el incremento en la explotación de las fuentes de energía a partir de recursos renovales, así como en la eficiencia
de su uso. En el trabajo se analizan dos de las tecnologías de gasificación de biomasa en estudio, para
ser implementadas en Cuba, a corto plazo, para la generación de electricidad, y se propone otra para su
aplicación a menor escala.
Palabras clave: Gasificación, biomasa, generación de electricidad
The effects of the historical over exploitation of the natural resources have placed the humanity on the limit
of its extinction. The magnitude of this situation and its degree of advance, has been taken into account for
the majority of the international community, and it has been materialized an important number of solution to
mitigate this situation in a great number of countries; included Cuba. Among the measures implemented in
Cuba, it is the increment in the exploitation of the energy sources, from renewable resources, as well as in
the efficiency of their use. In this work are analyzed, two of the gasification technologies of biomass, that
are in study, to be implemented in Cuba, in a short term, for the electricity generation and its intends
another for their application to smaller scale.
Key words: Gasification, biomass, electricity generation
INTRODUCCIÓN
Según datos reportados por la Agencia Internacional
de Energía (IEA), la energía obtenida de la biomasa
representa el 11 % del total de la energía primaria
empleada en el mundo en el 2006, lo que constituye
el 80 % del total de la energía suministrada a partir
del empleo de todas las fuentes renovables de energía,
con un consumo mayoritario en los países
subdesarrollados.
La gasificación térmica de la biomasa es un proceso
termoquímico, que tiene como propósito transferir la
energía química contenida en el combustible sólido a
un portador energético gaseoso, con el mínimo de
pérdidas en energía térmica. Este proceso permite
generar gases de bajo, medio o alto poder calórico en
función del tipo de reactor y del agente gasificante.1,2
La gasificación de la biomasa para producir gas útil,
con vistas a ser empleado como combustible en
motores de combustión interna es una de las
tecnologías más prometedoras para desarrollar fuentes
de energía renovables con bajo impacto ambiental
negativo. 3 Este gas puede ser catalíticamente
convertido en sustancias químicas como el metanol,
éter dimetil, el aceite de Fisher-Tropsh y otros muchos
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productos químicos, que pueden ser utilizados como
combustibles líquidos limpios para la transportación.4
El gas combustible producto, puede emplearse
igualmente para la producción de energía térmica. Las
ventajas respecto a la combustión directa de la
biomasa, consiste en la mayor facilidad en la
utilización de combustibles gaseosos respecto a los
sólidos; y sobre todo, en la posibilidad del empleo de
una red de distribución, lo cual es especialmente útil
en pequeños asentamientos y comunidades rurales,
así como la disminución del impacto ambiental
negativo a la comunidad.
Para Cuba, por sus condiciones de país no petrolero
y su posición geográfica tropical, resulta perspectivo
el uso de esta tecnología como fuente renovable de
energía.
Según censo realizado, solamente en las zonas
ganaderas del país en el año 2002, la extensión de
tierras cubiertas con distintas densidades de población
de Dichrostachys Cinerea, alcanzaba los 6 410 km2
(641 000 ha).5
La Dichrostachys Cinerea en base seca tiene un poder
calorífico superior de aproximadamente
19,9 MJ / kg. Cuando es verde su poder calorífico6 es
menor y aproximadamente7 igual a 13,6 MJ / kg, lo
cual promedia 16,79 MJ / kg de la planta, y muestra el
enorme potencial energético que mantiene en reserva
la economía cubana.7
BIOMASA
La extensión de la producción azucarera a lo largo de
toda Cuba, hace de esta industria la más importante
consumidora de biomasa para la generación de
energía, empleando para ello los desechos biomásicos
del proceso productivo; fundamentalmente bagazo,
constituyendo esta la principal biomasa empleada con
este fin a escala industrial en Cuba.
GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD
La variante más extendida para la producción de
electricidad en el país a partir de la biomasa, es la que
emplean los centrales azucareros, en la cual se quema
el combustible biomásico en calderas para producir
vapor, parte del cual es empleado posteriormente para
la generación de electricidad. Sin embargo, este
proceso tiene un alto porcentaje de pérdidas
energéticas asociadas a distintas razones, lo que
provoca que una parte importante de la energía poseída
por la biomasa no se aproveche (del orden del 70 %).
Por otro lado, la existencia en Cuba de grandes
extensiones de tierras pobladas por la Dichrostachys
Cinerea variante africana (marabú), ha constituido un
problema de difícil solución para la agricultura y la
ganadería; sin embargo, a partir del empleo de esta
tecnología, dicha planta podría convertirse en una
importante fuente energética para la economía cubana.
Una propuesta valiosa, la constituye el proyecto
Antonio Guiteras BIG-TG,8 que integra la generación
de electricidad a partir de la gasificación de la biomasa,
en el ciclo combinado de generación de electricidad
(figura 1), en el central Antonio Guiteras de Puerto
Padre, al norte de la provincia de Las Tunas, en Cuba.
Diagrama de flujo del proceso con los principales componentes.
1
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El hecho de emplear para la generación de electricidad
un gasificador y una turbina de gas, que utilice el gas
producto de la gasificación para la generación de
electricidad, incrementa de forma notable la eficiencia
de este proceso, la eficiencia energética en la
generación eléctrica empleando la turbina a gas de
gasificación, puede ser de hasta el 35 %.4
adicional, relativamente costoso de purificación de los
gases, lo que resta rentabilidad a los sistemas de
generación empleando la gasificación y dificulta la
aplicación de esta tecnología a pequeña escala.
El grupo de investigadores de la Universidad de
Camagüey, en Cuba, ha desarrollado en colaboración
con la Universidad de Sassari, en Italia, un reactor
de gasificación concurrente de nuevo tipo (figura 2),
que produce un gas con baja concentración de
alquitrán y polvo, lo que permite su acoplamiento
directamente a motores de combustión interna
modernos, sin el empleo de costosos sistemas de
limpieza.11
Igualmente, la incorporación de esta tecnología,
permitirá que el central continúe entregando energía
eléctrica al sistema nacional fuera del período de
zafra, alcanzando una capacidad de generación de
110 GWh de electricidad al año y 51 GWh de vapor.
El costo de esta instalación es del orden de los 49
millones de USD, con un tiempo de amortización de
15 años.
Este reactor tiene como aspecto novedoso, que el
diseño de su cámara de combustión permite la
homogeneización de las temperaturas en el interior
de la cámara, a partir de la eliminación de las venas
frías en el interior del lecho, lo que incrementa el
mezclado entre los gases de pirólisis y el agente
gasificante, disminuye el volumen de alquitrán que
atraviesa la cámara de oxidación sin craquearse
térmicamente; así como potencia los mecanismos
de intercambio de calor en el interior de la cámara. El
reactor consta de otras dos modificaciones que
favorecen la ocurrencia de las reacciones de Bandourd
en la zona de reducción e incrementan la recuperación
de calor sensible portado por el gas producto de la
salida del reactor.
La introducción de esta tecnología, permitiría una
reducción de las emisiones de CO2, en el orden de
110 000 t por año; igualmente desde el punto de vista
local, diminuiría en un 96 % las emisiones de
partículas del central y las emisiones de SO2 y NOx
serían un 96 % y un 92 % menores respectivamente.
Asímismo tiene asociado un alto impacto social,
tecnológico y económico, lo que la convierte en una
vía a tener muy en cuenta, dada las actuales
circunstancias existentes en Cuba.
Sin embargo, esta tecnología no es aplicable
solamente a la industria azucarera, pues como se
mencionó anteriormente, es posible emplear el gas
combustible producto del proceso de gasificación para
alimentar directamente un motor de combustión
interna. Esta es la tecnología propuesta en el Proyecto
GEF Energía Renovable en la Isla de la Juventud.9
Como consecuencia de las modificaciones realizadas
a la tecnología Imbert de gasificación, este reactor produce gas combustible con una eficiencia del orden del
60 % cuando emplea a la Dichrostachys Cinerea (marabú)
como combustible con una humedad del 11 %, menor a
los valores de eficiencia típicos para estos tipos de
reactores, pero el poder calórico de los gases obtenidos
permite su empleo como combustible para motores de
combustión interna.
La eficiencia de la generación eléctrica de esta
tecnología está en dependencia del tipo de reactor
empleado, y está en el orden del 23%.
En este proyecto se propone el montaje de una
instalación de gasificación compuesta por un
reactor de gasificación procedente de la India; para
la generación de la electricidad se emplea un
sistema motor-generador, que utiliza el gas
producido por el gasificador como combustible, con
una potencia de generación de 3,6 MW. El diseño
de gasógeno más extendido para generar gas combustible, para suministrar a un motor de combustión
interna, es el diseño concurrente (downdraft). Esto
es debido a la calidad del gas producido en este
tipo de reactor en cuanto al contenido de alquitranes
y partículas.
La mayoría de los gasificadores producen un gas,
incompatible con las especificaciones técnicas de
mucho de los diseños de motores modernos, 10
(contenido de alquitranes y polvo menor que
10 mg/Nm3), por lo que es necesario un sistema
Gasificador de biomasa Imbert modificado.
2
18
Este nuevo reactor facilitaría el empleo de esta
tecnología, en la generación de electricidad, en
comunidades aisladas de la red de distribución
nacional.
BARRERAS
Esta tecnología tiene que vencer barreras tanto
tecnológicas como no tecnológicas, antes de ser
implantada a gran escala en la industria y en la
sociedad de forma general, a entender, de los autores
en Cuba las dos principales barreras están en el
aspecto económico y en la implementación industrial a gran escala de esta tecnología.
Económicas
El nivel de desarrollo de esta tecnología aún no la
hace competitiva con los combustibles fósiles, por lo
que es necesario la implementación de instrumentos
legales para hacerla rentable y atractiva a la inversión,
como pueden ser impuestos al uso de los
combustibles fósiles, el incremento del precio de la
electricidad generada con fuentes renovales de
energía, etcétera. Este es uno de los principales temas
en que el gobierno desempeña un papel fundamental, y que en Cuba están comenzando a tenerse en
cuenta.
Implementación a escala industrial
El impacto ambiental que tendría la implantación a
gran escala de la explotación con fines energéticos
de la biomasa, es un elemento a tener en cuenta en el
momento del diseño de una instalación de este tipo.
Una modesta planta de 10 MW, con una eficiencia del
35 %, requeriría 40 000 por año, lo que correspondería
con el empleo de un cultivo de ciclo corto y alta
productividad, a un área de aproximadamente 20 km2,
las características de crecimiento del árbol de marabú,
su poder calórico y la densidad poblacional del mismo
en Cuba, hacen de este, el combustible ideal para ser
empleado con este fin. Con el nivel de eficiencia
señalado, los limites en las dimensiones de la planta,
son debidos al costo en que se incurre por concepto
de transporte de la biomasa al punto de procesamiento.
En Europa los límites de estas instalaciones están
entre los 30 MW a los 80 MW.
CONCLUSIONES
En el marco de la Revolución Energética que se lleva
a cabo en la sociedad cubana, las tecnologías para la
obtención de energía a partir de la gasificación de
biomasa, han tenido también su espacio, y se
observan claras posibilidades y voluntad
gubernamental para su aplicación a mediana escala
en un corto plazo; muestra de ello son los proyectos
en vías de ejecución en la Isla de la Juventud y en el
central Antonio Guiteras de Las Tunas. Sin embargo,
la extensión del empleo de esta tecnología requiere
la implementación de regulaciones económicas que
hagan de la misma una tecnología competitiva a los
combustibles fósiles.
REFERENCIAS
1. Heermann, C. and F. J. Schwager: Whiting
Pyrolysis and Gasification of Waste, Vol. 2, Juniper
Consultancy Services, UK, 2000.
2 Ceamanos, J., et al.: Gasification of Biomass/High
Density Polyethylene Mixtures in a Downdraft Gasifier,
2nd World Conference on Biomass for Energy, Industry
and Climate Protection, Rome, Italy, 10-14 May, 2004.
3. Nieminen, J.: Biomass CFB Gasifier Connected to
a 350 MWth Steam Boiler Fired with Coal and Natural
Gas—THERMIE Demonstration Project in Lahti,
Finland, Power Production from Biomass III, Gasification
& Pyrolysis R&D&D for Industry, K. Sipila, M. Korhonen
(Eds.),VTT Symposium, Vol. 192, VTT Espoo, 1999.
4. Bridgwater, A.V.: "Renewable Fuels and Chemicals
by Thermal Processing of Biomass", Chemical
Engineering Journal, 91 87–102, (2003).
5. Informe al Ministerio de la Agricultura del Consejo Nacional de Ganadería Vacuna, La Habana, diciembre, 2002.
6. Suárez, J.; C. Luengo, F. Fonseca, G. Bezzon y
P. Beatón: Thermochemical Properties of Cuban
Biomass, Energy Sources, 22:851-857, 2000.
7. Leyva, R.: "Producción de electricidad con biomasa
procedente de la planta leñosa Dichrostachys Cinerea
(marabú)", Resumen de Proyecto de investigación, Universidad de Camagüey, diciembre, 2003.
8. Antonio Guiteras BTG-GT Project. Regional
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Energy Generation in Latin America and the Caribbean,
La Havana, October, 2005.
9. Proyecto GEF Energía Renovable en la Isla de La
Juventud, Regional Workshop “Barriers and
Opportunities for Biomass Based Energy Generation in
Latin America and the Caribbean, Havana, October,
2005.
10. Milne, T. A. and R. J. Evans: Biomass Gasification
Tars: Their Nature, Formation and Conversion, NREL,
Golden, CO, Report no. NREL/TP-570-25357, USA,
1998.
11. Travieso Pedroso, Daniel; Ramón Cala Aiello;
Leonetto Conti and Stefano Mascia: Experiences on
a New Really tar Free Downdraft Gasifier, Proceedings
of UNINDU 2005, Ubatuba: Sao Paulo, Brasil, Editor:
Giorgio Eugenio Oscare Giacaglia, UNITAU, 2005.
AUTORES
Daniel Travieso Pedroso
Ingeniero Electricista, Grupo de Energía, Universidad
de Camagüey, Camagüey, Cuba
e-mail:[email protected]
Ramón Cala Aiello
Ingeniero Electricista, Grupo de Energía, Universidad
de Camagüey, Camagüey, Cuba